在J-PARC強子實驗設施中精密測量奇怪粒子和質子的散射現象
在弄清制造原子核的力量方面取得了巨大的進步
【發表的要點】
確立了通過直接散射包含應變夸克在內的被稱為“奇怪粒子”(注1 )的Σ粒子和質子，來解釋粒子之間作用的“擴展的核力量”(注1 )的方法
世界上首次成功地精密測量了壽命極短、只飛行數厘米的Σ粒子與質子的散射現象
通過將本成果確立的實驗方法應用于不同種類的“奇怪粒子”和質子的散射實驗，積累數據，擴展的核力量的闡明有望取得巨大進展
【概要】
在構成原子核的根源力質子和中子之間作用的核力，是與質子中子的構成要素夸克相關的非常復雜的力。 特別是質子·中子重疊的近距離產生大的排斥力的理由還不清楚，有人指出夸克起到了重要的作用。 因此，人們期待著通過調查含有應變夸克的超子和質子之間產生的作用力，從而明確夸克在核力量中的作用。 東北大學研究生院理學研究科三輪浩司副教授等人的研究小組在大強度質子加速器設施J-PARC的強子實驗設施(注2 )中，大量生成了作為超子的Σ粒子，并成功地高精度地測量了Σ粒子和質子的散射角度分布(注3 )。 今后，通過積累夸克構成不同的各種各樣的超子和質子之間的散射數據，可以期待明確擴展的核力量的性質。 本成果于2021年10月28日(美國時間)在Physics Review C上在線公布。
【研究背景】
質子和中子之間平均有引力力(核力)作用，將質子、中子結合構成原子核。 該核力在質子和中子比較遠離時會成為引力，但在質子和中子重合的較近距離會變化為較大的排斥力。 多虧了這種引力和排斥力的平衡，原子核才能穩定地存在。 該核力的距離依賴性等相互作用的詳細情況，通過用加速器加速的質子照射其他目標質子，調查其被散射的情況已經明確。 但是，那樣的核力量的性質為什么會產生還不十分清楚，特別是為什么會在近距離形成很大的反彈力，還完全不清楚。 可以認為，在這樣質子和中子重疊的近距離內，如圖1所示，粒子內部存在的構成要素夸克起到了重要的作用。 因此，一般認為，通過調查含有不同種類夸克的粒子和質子之間產生的“擴展的核力量”，可以明確夸克在核力量中的作用。
因此，研究質子中子中所含的上夸克和下夸克之后含有輕應變夸克的所謂奇怪粒子(含應變夸克的粒子統稱為奇怪粒子和超子)和質子之間作用的擴展核力變得很重要。 為了調查兩個粒子之間產生的作用力，需要使對象兩個粒子直接碰撞，測量其在哪個方向上容易散射(稱為微分截面積)。 但是，由于超子的壽命非常短，只要飛行幾厘米就會馬上崩潰，所以迄今為止只測量了很少次數的散射現象。
圖1 :包含質子、中子和應變夸克的奇怪粒子由三個夸克組成(左圖)。 由于這三種夸克的構成不同，存在著各種各樣的粒子。 這些粒子之間的相互作用非常復雜，因為內部包含的夸克有助于相互作用(右圖)。 特別是在2個粒子重疊的近距離的相互作用中夸克的效果非常明顯。 為了理解夸克在核力量和擴展核力量中所起的作用，改變夸克的種類來研究相互作用的變化是很重要的。
【研究的內容和成果】
由東北大學高能加速器研究機構( KEK )日本原子能研究開發機構( JAEA )京都大學大阪大學等組成的國際聯合實驗E40小組(實驗負責人:東北大學三輪浩司、15個機構、71名)在超子之一的帶負電荷的Σ粒子在液體氫靶中飛行時，表現得非常出色。 首次成功檢測散射時敲擊出的質子，高精度地測量了在哪個方向上有多容易散射的微分截面積(散射概率的角度依賴性)。 圖2顯示了此次實驗中測量的微分截面積的結果(黑圈)和過去的測量結果(紅圈)。 另外，與將質子和中子之間作用的核力量擴展到含有應變夸克的超子的理論計算的預想一起表示。 通過比較理論計算和數據，證實了Σ粒子如粗糙處理夸克的理論計算(圖2的藍虛線)所預期的那樣，容易向前散射。 但是，我們發現實驗數據和理論計算之間有很大的差距。 這次測定的實驗數據將成為改良這些理論計算的指導方針，期待著對擴展后的核力量的理解今后有飛躍性的進展。
在實驗中，用J-PARC強子實驗設施提供的大強度π介子(注4 )的射線束照射液態氫靶，制作出了約為以往實驗100倍的Σ粒子。 生成的Σ粒子大部分不會散射或反應，直接崩潰，因此生成大量Σ粒子是關鍵。 在以往的實驗中，為了確定散射現象，使用了將反應可視化的檢測器，但由于可視化所需的時間長，在此期間通過的多個光束會映入眼簾，因此為了確定散射現象，需要抑制光束強度。 在本研究中，通過被稱為CATCH的實驗裝置(圖3 )檢測生成的Σ粒子與液態氫靶內的質子散射后，敲擊出的質子和散射后Σ粒子崩潰釋放出的粒子，從而可以確定散射現象。 該裝置首次通過以優異的精度測量粒子的通過時間和通過位置，在使用J-PARC大強度派中間子束的實驗環境下，也能夠將相繼發生的現象逐個分開進行有效測量，由科學研究費補助金東北大學的研究者開發制作。
這次的結果是在2019年2月至3月的J-PARC使用運轉時間進行的實驗中取得的成果。
圖2 :測量的負電荷Σ粒子和質子的散射微分截面積。 4幅圖將Σ粒子的動量大小分為4個范圍，對應于測量微分截面積。 數據點上的棒表示測量的誤差。 此次測量的結果(黑圈)與過去測量的結果(紅線圈)相比，可以得到非常高的精度測量。 在過去的測量中，觀測到的事件數量少，無法在運動量范圍內分類，所以在所有運動量范圍內，這里顯示相同的測量數據。 與測量數據一起顯示的是基于幾個理論假設的微分截面積的預測。 特別是表現粒子中夸克效果的理論計算(藍線)和數據在某種程度上是一致的。 可以認為，今后通過進一步收集這樣高精度的數據，可以獲得粒子間相互作用的全貌和相互作用的起源的相關信息。
圖3 :主要探測器CATCH探測器的照片(左、中)。 如(左)所示，在檢測器的內側布滿對放射線發光的閃爍光纖，測量反應中產生的粒子軌跡。 在其外側配置對放射線發光的特殊結晶，測量粒子的動能。 根據這些信息，鑒定發生了什么樣的反應。 照片(右)是在實驗裝置前拍的實驗組成員的照片。【今后的展望】
要弄清擴張后的核力量的全貌，重要的是調查不同的超子、質子、超子之間的作用力。 迄今為止，在J-PARC強子實驗設施中，一直在調查把這樣的超子放入原子核中的被稱為超核(超原子核)的原子核的性質。 它是闡明超子和質子的散射實驗、以及含有超子的原子核——超核的研究擴展的核力量的一大支柱，這次散射實驗的成功將成為研究的一大進步。
這次報告了超子之一的帶負電荷的Σ粒子和質子的散射的高精度測量的結果。 在E40實驗中，還進行了負電荷的Σ粒子與質子反應，變化為另一種超子的λ粒子和中子的反應，以及正電荷的Σ粒子和質子的散射的測量，目前正在進行數據分析。 要理解基于夸克擴展的核力量，重要的是建立能夠統一記述這些反應的理論框架。 已知該擴展的核力量取決于粒子間的自旋狀態，因此今后準備進行控制超子自旋的散射、以及與Σ粒子不同種類的超子——λ粒子和質子的散射的測量。 包括本結果在內，通過改良理論，以再現今后積累的超子和質子的高精度散射數據，期待能夠構筑“符合現實的擴張核力量理論”。 符合這個現實的擴張核力量理論，也成為解釋超級核多樣性性質的基礎。
另外，也有人指出，在中子星(注5 )的內部，中子在重力的作用下被封閉在高密度狀態，λ粒子和Σ粒子等超子有可能穩定存在。 由于這些現象本質上依賴于超子與中子之間產生的作用力，因此這次的結果和今后我們積累的散射數據對于理解中子星的結構也是極其重要的。 有人指出，在觀測中發現的具有兩倍太陽質量的重中子星中，超子通過產生我們完全不知道的力，使重中子星穩定存在。 期待這次我們取得成功的這個實驗方法，也能解開中子星內部的未知力。【用語說明】
(注1 )奇怪的粒子和擴展的核力量
作為基本粒子的夸克有6種，穩定存在的是質量最輕的世代的上夸克( u )和下夸克( d ) 2種。 如圖1 (左)所示，質子和中子的上夸克和下夸克處于不同夸克結構束縛的狀態。 也就是說，質子由兩個上夸克和一個下夸克( uud )組成，中子由一個上夸克和兩個下夸克( udd )組成。 根據這三個夸克的構成不同，存在很多粒子(統稱為超子)。 其典型例子就是含有第三輕的應變夸克( s )的粒子。 因為夸克上有“奇怪”的名字，所以含有應變夸克的粒子(特別是重子)總稱為奇怪的粒子和超子。 此次測量的帶負電荷的Σ粒子(標記為σ)由( dds )組成。 帶有正電荷的Σ粒子(標記為σ+ )是( uus )，λ粒子(標記為λ)由( uds )組成。
湯川秀樹博士預言質子(統稱核子)之間通過交換π介子來產生核力量，這就是核力量研究的開始。 現在，將這種核力量擴展到含有應變夸克的粒子和核子之間起作用的力上，考慮到含有應變夸克的介子的交換的描繪(擴展的介子交換模型)，以及夸克之間的相互作用，統一記述相互作用，“被擴展 這種擴展的核力量理論是研究以超子為原子核構成要素的超核和中子星等結構的基礎，非常重要。
(注2 ) J-PARC強子實驗設施
位于茨城縣東海村的大強度質子加速器設施J-PARC使用世界最高強度質子束生成的多彩的2次粒子，進行了各種各樣的基本粒子原子核物理的研究和物質科學·生命科學的研究。 在其中的強子實驗設施中，以30千兆電子伏的質子束為金靶，制作出k介子和π介子等“強子束”，用它進行原子核和粒子的研究。 這次的Σ粒子可以說是以這個π介子的光束為基礎產生的三次粒子的光束。 為了提高實驗的精度，盡可能生成大量的Σ粒子變得重要。 因此，每脈沖能提供約107個(每5.2秒產生約2秒的束)世界最大強度的π介子束的強子實驗設施可以說是進行本研究的最佳實驗設施。
(注3 )散射的微分截面積
由于粒子之間有力的作用，會發生散射現象。 單純考慮的話，這種散射的發生頻率與粒子之間復蓋的截面積相對應，因此稱為散射截面積。 特別是，散射截面積因散射角度而異的情況稱為散射的微分截面積。 實際上，散射的頻率(截面積)和角度依賴性(微分截面積)因粒子之間作用的力而有很大差異。 通過實驗測量微分截面積，可以調查粒子之間的作用力。 實際上，在核子之間起作用的核力量是通過用被加速器加速的質子和中子(中子是二次生成的)照射目標質子，詳細測量散射的微分截面積來進行調查的。 雖然據說超子和質子之間也同樣進行散射實驗很重要，但由于超子很快就會崩潰的實驗困難，迄今為止無法實現高精度的截面積測量。
(注4 )π介子夸克和作為其反粒子的反夸克對構成的粒子稱為介子。 最輕的中間子是π介子，本研究中用作光束的負電荷π介子由順夸克和反夸克構成。
(注5 )中子星
宇宙中有1057個中子被重力束縛的半徑12km左右的小型天體，這被稱為中子星。 被核力量束縛的原子核，核子數量最多也不過300個左右，但中子星可以說是數量驚人、多中子被重力束縛的巨大原子核。 質量較重的恒星在超新星爆炸結束之際，被重力壓縮的星星芯將成為中子星并保留下來。 近年來的天體觀測中，觀測到了多個質量是太陽兩倍的重中子星，據說中子星中心的密度會達到普通原子核的5倍以上。 預計在這樣的高密度下，具有高能量的中子會變化為超子，但通過變化為超子，星星的壓力會下降，因此，明確利用什么樣的機制恢復星星的壓力，支撐具有兩倍太陽質量的中子星成為了一大課題。 有人指出，在高密度下，超子和多個中子之間作用的力對于制造支撐中子星的壓力至關重要。 我們將通過對超核的研究，來闡明這種含有超子的多粒子之間產生的作用力。 通過散射實驗了解超子和核子兩粒子之間作用的力，是從超核研究中解釋該多粒子之間作用的力的基礎。【國際研究小組】
本研究由東北大學、高能加速器研究機構( KEK )、日本原子能研究開發機構( JAEA )、京都大學、大阪大學(理學研究科、核物理研究中心)、理化學研究所(高能原子核研究室、介子科學研究室、放射線研究室)、千葉大學、岡山大學、韓國高麗大學、法國 這些機構為實現實驗的檢測器開發和實驗的實施做出了貢獻。 東北大學制作了CATCH檢測器，KEK和JAEA主導了測量液態氫靶和超子生成的實驗裝置的維修運轉。 數據分析以東北大學、JAEA、京都大學、大阪大學為中心共同進行。【謝詞】
本研究是在以下科學研究費補助金的資助下進行的。
青年研究( a )“通過Σ質子散射截面積測量弄清重子力的斥力芯的起源”( JSPS KAKENHI Grants No.23684011 )
青年研究( a )“通過Σ質子散射的相位差導出來確定夸克-保利斥力芯的大小”( JSPS KAKENHI Grants No.15H05442 )
基礎研究( a )“基于超子質子散射實驗的π介子相互作用研究的新進展”
”( JSPS Kake Nhi授權號18h 03693 )
新學術領域“通過實驗觀測探明的中子星核物質”公開征集研究“用于J-PARC二次束高強度化的通用觸發模塊的開發”( JSPS KAKENHI Grants No.15H00838 )
基礎研究( a )“用超核伽馬射線光譜解釋的λn相互作用的電荷對稱性”( JSPS KAKENHI Grants No.15H02079 )
新學術領域“通過實驗觀測探明的中子星核物質”提案型研究“中子過剩核物質中的應變能”( JSPS KAKENHI Grants No.24105003 )
新學術領域“用量子簇解讀的物質的分層結構”提案型研究“用應變強子簇探索的物質的分層結構”( JSPS KAKENHI Grants No.18H05403 )【論文情報】
雑誌名:物理復習C
論文動量范圍470至850 MeV/c內σ-p彈性散射微分截面的タイトル:Measurement
著者:K. Miwa等人(三輪浩司 東北大學大學院理學研究科)
數字對象標志符番號:10.1103/PhysRevC.104.045204
網址:https://link . APS . org/doi/10.1103/PhySrevc . 104.045204
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